Effects of Land Use Duration on Forage Quality in a Littoral Wetland of Kenya
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Institute of Animal Science Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Effects of Land Use Duration on Forage Quality in a Littoral Wetland of Kenya A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Agricultural Science (Dr. agr.) Faculty of Agriculture Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Germany Submitted on 24th April 2014 by M. Sc. Kipkemoi Changwony Baringo, Kenya Main Supervisor: Prof. Dr. Karl-Heinz Südekum Second Supervisor: Prof. Dr. Mathias Becker Date of oral presentation: 20th June, 2014 Year of Publication: 2014 i MY FAMILY ii iii Summary Effects of Land Use Duration on Forage Quality in a Littoral Wetland of Kenya Wetlands are transition areas between terrestrial and aquatic environments that fulfill a wide range of ecosystem services and can be used in diverse direct and indirect ways. Direct uses include livestock grazing, crop production and fishing. In Kenya, 56,000 km2 of land area is covered by wetland-associated soils. Within this, the riparian land of Lake Naivasha is of particular importance as it surrounds one of the few fresh water lakes in the arid Rift Valley, which is experiencing intensive anthropogenic pressure and is of critical importance as grazing areas for wildlife and livestock. However, the forage nutritional value and attributes have not been studied. Increased land use duration after lake level recession and subsequent continuous grazing of the riparian land is hypothesized to differentially affect soil properties, floral characteristics, biomass production, and forage nutritional quality. Three studies were conducted to (1) determine how species composition and relative abundance of the forages are affected by duration of land use, (2) determine the effect of continuous grazing and soil types on biomass productivity and nutritional quality, and (3) determine the intake and digestibility of pasture grasses by sheep. Land use duration lead to change in species composition from a dominance of Kikuyu grass (Pennisetum clandestinum) to that of Naivasha star grass (Cynodon plectostachyus) independent of soils type. Increased land use duration reduced biomass production while increasing forage nitrogen (N) concentration. On the other hand, metabolizable energy content was not affected by land use duration but was rather affected by soil type. Land use duration was associated with increased lignin content and reduced N and fibre digestibility, but did not affect intake and digestibility of dry matter. The littoral pastures of Naivasha provides sufficient quantity and quality feed for ruminants during the dry season that can supply most minerals required by grazing ruminant but a high iron content may negatively influence feed intake. Optimum stocking densities and feed supplementation strategies need to consider the toposequence position in the riparian land and be adjusted according to land use duration and plant species composition as these affect quantity and quality of forage. The chronosequence is a suitable model to study processes and trends of changing resource base quality, particularly studies on forage quality and availability in riparian wetlands. iv Zusammenfassung Effekte der Landnutzungsdauer auf die Grobfutterqualität litoraler Feuchtgebiete in Kenia Feuchtgebiete erfüllen als Übergangsbereich zwischen Land und Gewässern eine Vielzahl von Funktionen als Ökosystem und können auf verschiedene Weise sowohl direkt als auch indirekt genutzt werden. Die direkte Nutzung umfasst dabei Weidewirtschaft, Getreideproduktion und Fischerei. In Kenia sind etwa 56.000 km² der Gesamtfläche von Feuchtgebieten bedeckt, von denen die Ufergebiete des Naivashasees von besonderer Bedeutung sind. Diese umgeben einen der wenigen Süßwasserseen des ariden Rift Valley, unterlagen in der Vergangenheit einer intensiven Nutzung durch verschiedene Seiten und unterliegen auch heute noch starken Interessenkonflikten. Sie sind von immenser Bedeutung als Weidefläche sowohl für Wild- als auch für Nutztiere, der Futterwert der Vegetation wurde bisher jedoch nicht ausreichend charakterisiert. Die Hypothese ist, dass eine gesteigerte Landnutzungsdauer nach Rückgang des Hochwassers und eine nachfolgend dauerhafte Beweidung der Ufergebiete die Bodeneigenschaften, die botanische Zusammensetzung und Biomasseproduktion sowie den Futterwert der Pflanzen verändert. In insgesamt drei Studien wurde untersucht, wie die botanische Zusammensetzung und Artenvielfalt durch die Dauer der Landnutzung beeinflusst wird, wie Dauerbeweidung und verschiedene Bodentypen die Biomasseproduktivität und den Futterwert der Vegetation beeinflussen und wie sich die Futteraufnahme und Verdaulichkeiten von verschiedenen Weidegräsern bei Schafen darstellen. Die Dauer der Landnutzung führte unabhängig vom Bodentyp zu Veränderungen in der botanischen Zusammensetzung, ausgehend vom Kikuyu-Gras (Pennisetum clandestinum) als dominante Spezies hin zum Naivasha Star Gras (Cynodon plectostachyus). Eine erhöhte Landnutzungsdauer reduzierte die Produktion von Biomasse bei einer Erhöhung der Stickstoff (N)-Konzentration in den Pflanzen. Die Gehalte an umsetzbarer Energie dagegen wurden nicht von der Dauer der Landnutzung, wohl aber vom Bodentyp beeinflusst. Weiterhin führte eine verlängerte Landnutzungsdauer zu erhöhten Lignin- Konzentrationen und verringerten N- und Faserverdaulichkeiten, beeinflusste jedoch nicht die Trockenmasseaufnahme und -verdaulichkeit. Die Uferflächen des Naivashasees stellen in der Trockenzeit Futter in ausreichender Quantität und Qualität für Wiederkäuer zur Verfügung. Es enthält die meisten essentiellen Mineralstoffe; jedoch könnten sehr hohe Eisengehalte negative Auswirkungen auf die Futteraufnahme haben. Zur Planung optimaler Besatzdichten und Zufütterungsstrategien sollte die Toposequenz des Ufergebiets berücksichtigt und entsprechend der Landnutzungsdauer sowie der botanischen Zusammensetzung angepasst werden, da diese sowohl die Futtermenge als auch dessen Qualität beeinflusst. Die Chronosequenz stellt ein geeignetes Modell zur Überprüfung des Prozesses und der Entwicklung einer sich wandelnden Ressource und deren grundlegender Qualität dar, insbesondere hinsichtlich der Untersuchung der Futterqualität sowie deren Verfügbarkeit in Ufergebieten. v Table of Contents Summary iv Zusammenfassung v Table of Contents vi List of Tables ix List of Figures x List of Acronyms and Abbreviations xi Acknowledgements xii 1. General Introduction 3 1.1 Wetlands ....................................................................................................................... 3 1.2 Tropical wetlands .......................................................................................................... 6 1.3 Wetlands in Kenya ........................................................................................................ 7 1.4 Lake Naivasha .............................................................................................................. 9 1.5 Wetland Pastures and Pastoralism ............................................................................... 12 1.5.1 Dry season feeding and resource conflicts in the Naivasha wetland ...................... 13 1.5.2 Riparian plant species around Lake Naivasha ....................................................... 14 1.6 Grazers of the Lake Naivasha riparian ......................................................................... 16 1.7 Chronosequences at Lake Naivasha ............................................................................. 16 1.7.1 Plant species changes ........................................................................................... 18 1.8 Approaches to studying wetland pastures .................................................................... 19 1.8.1 Remote sensing .................................................................................................... 19 1.8.2 Ground study and vegetation survey..................................................................... 20 1.8.3 Land use duration approach ................................................................................. 20 1.8.4 Grazing as land use and in assessing pastures ....................................................... 21 1.8.5 Feed evaluation using in vitro, in situ, and in vivo approaches .............................. 22 2. Scope and Structure of Thesis 27 2.1 Scope .......................................................................................................................... 27 2.2 Hypothesis and objectives ........................................................................................... 27 3. Floristic changes in grasslands along a chronosequence at Lake Naivasha, Kenya 31 3.1 Introduction ................................................................................................................ 31 3.2 Material and Methods ................................................................................................. 32 3.2.1 Study site ............................................................................................................. 32 3.2.2 Experimental set-up, samples and data collection ................................................. 32 vi 3.2.3 Statistical analyses ............................................................................................... 34 3.3 Results ........................................................................................................................ 34 3.3.1 Floristic composition and soil properties